JP4772545B2 - Pulse compressor and laser generator - Google Patents
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本発明は、パルス光のパルス幅を圧縮するパルス圧縮器、および、このようなパルス圧縮器を含むレーザ発生装置に関するものである。 The present invention relates to a pulse compressor that compresses the pulse width of pulsed light, and a laser generator including such a pulse compressor.
高出力のパルス光を出力することができるレーザ発生装置として、非特許文献１に記載されたものが知られている。この文献に記載されたレーザ発生装置は、ＣＰＡ（Chirped Pulse Amplification）法に拠るものであって、図１に示されるような概略構成を有している。この図に示されるレーザ発生装置１は、発振器１０，パルス伸長器２０，再生増幅器３０，マルチパス増幅器４０およびパルス圧縮器５０を備えている。なお、この図には、各構成要素から出力された時点でのパルス光のパルス形状が模式的に示されている。
As a laser generator capable of outputting high-power pulsed light, the one described in Non-Patent Document 1 is known. The laser generator described in this document is based on the CPA (Chirped Pulse Amplification) method and has a schematic configuration as shown in FIG. The laser generator 1 shown in this figure includes an
このレーザ発生装置１では、発振器１０から出力されたパルス光は、パルス伸長器２０により波長分散が与えられて、パルス幅が伸長されたチャ−プ光とされる。パルス伸長器２０から出力されたチャ−プ光は、再生増幅器３０により光増幅され、マルチパス増幅器４０により更に光増幅される。そして、その光増幅されたパルス光は、パルス圧縮器５０により波長分散が調整されて、パルス幅が圧縮されたパルス光とされる。
In the laser generator 1, the pulsed light output from the
このような構成として、光増幅の前にパルス光のパルス幅を伸長することで、再生増幅器３０およびマルチパス増幅器４０に入力されるパルス光の尖頭値を低くすることができて、パルス光を増幅する過程において最初にダメージ限界を迎える再生増幅器３０およびマルチパス増幅器４０それぞれの増幅媒体の損傷を抑制することができる。したがって、高強度で短パルス幅のパルス光をレーザ発生装置１から出力することができる。
As such a configuration, the peak value of the pulsed light input to the
上記のようなＣＰＡ法に拠るレーザ発生装置において、光増幅器の増幅媒体の次に損傷の対象になるのは、パルス圧縮器においてチャ−プ光の波長分散を調整する回折格子である。一般に、パルス圧縮器の回折格子としては、金や銀等の金属または多層膜でコートされた回折格子が使用される。光強度に対する回折格子の破壊閾値は、金や銀のコートの場合で数百ｍＪ／ｃｍ２程度であり、多層膜のコートの場合で数Ｊ／ｃｍ２程度である。 In the laser generating apparatus based on the CPA method as described above, the target of damage after the amplification medium of the optical amplifier is a diffraction grating for adjusting the wavelength dispersion of the chirped light in the pulse compressor. Generally, a diffraction grating coated with a metal such as gold or silver or a multilayer film is used as a diffraction grating of a pulse compressor. The destruction threshold of the diffraction grating with respect to the light intensity is about several hundred mJ / cm 2 in the case of a gold or silver coat, and is about several J / cm 2 in the case of a multilayer film.
回折格子の損傷を回避する為に、回折格子に入射するパルス光のビーム径を大きくすることが考えられる。しかし、その場合には、回折格子は、パルス光のビーム径に応じて大きいことが要求されるものの、自重等に因る歪みが生じ易くなることから、大きくするにも限界がある。このことから、例えばピーク強度１ＰＷ（パルス幅１０ｆｓ、パルスエネルギ１０Ｊ／pulse）以上のパルス光を生成することは困難である。
In order to avoid damage to the diffraction grating, it is conceivable to increase the beam diameter of the pulsed light incident on the diffraction grating. However, in this case, although the diffraction grating is required to be large according to the beam diameter of the pulsed light, distortion due to its own weight or the like is likely to occur, so there is a limit to increasing the size. For this reason, it is difficult to generate pulsed light having a peak intensity of 1 PW (
一方、非特許文献２には、レーザ光のニ光束干渉を利用して生成したプラズマによる過渡的な回折格子をパルス圧縮器において使用することが提案されている。非特許文献３には、このような過渡的回折格子について理論およびシミュレーションによる考察が記載されている。また、非特許文献４には、液体中の色素を用いた過渡的回折格子の生成について記載されている。このようなプラズマによる過渡的回折格子をパルス圧縮器において使用した場合、このパルス圧縮器を含むレーザ発生装置は、更に高強度のパルス光を生成することができることが期待される。
しかしながら、上記のようなプラズマによる過渡的回折格子をパルス圧縮器において使用した場合であっても、このパルス圧縮器を含むレーザ発生装置は、超短パルス幅のパルス光を生成することが困難である。本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、超短パルス幅のパルス光を生成することができるレーザ発生装置、および、このようなレーザ発生装置において好適に用いられるパルス圧縮器を提供することを目的とする。 However, even when a transient diffraction grating using plasma as described above is used in a pulse compressor, it is difficult for a laser generator including this pulse compressor to generate pulsed light with an ultrashort pulse width. is there. The present invention has been made to solve the above-described problems, and a laser generator capable of generating pulsed light having an ultrashort pulse width, and pulse compression suitably used in such a laser generator. The purpose is to provide a vessel.
本発明に係るパルス圧縮器は、入力された被圧縮パルス光のパルス幅を圧縮して、その圧縮後のパルス光を出力するパルス圧縮器であって、(1) 入力された被圧縮パルス光から一部を分岐して取り出したものを干渉用パルス光とし、この干渉用パルス光を２分割して第１分割パルス光および第２分割パルス光を生成し、これら第１分割パルス光と第２分割パルス光とを互いに干渉させる干渉光学系と、(2) 干渉光学系により第１分割パルス光と第２分割パルス光とが互いに干渉する位置に配置され、これら第１分割パルス光と第２分割パルス光との干渉により格子状分布のプラズマが生成されて過渡的な回折格子が形成される回折格子形成媒体と、(3) 回折格子形成媒体に形成された回折格子へ被圧縮パルス光を導く圧縮光学系と、を備えることを特徴とする。さらに、本発明に係るパルス圧縮器は、干渉光学系により回折格子形成媒体に入射される第１分割パルス光および第２分割パルス光それぞれのパルスフロントが、回折格子形成媒体の回折格子形成面に対して平行であり、回折格子形成媒体に形成された回折格子により、圧縮光学系により導かれた被圧縮パルス光のパルス幅を圧縮することを特徴とする。
The pulse compressor according to the present invention is a pulse compressor that compresses the pulse width of the input compressed pulse light and outputs the compressed pulse light, and (1) the input compressed pulse light A part of the light extracted from the light beam is taken as an interference pulse light, and the interference pulse light is divided into two to generate a first split pulse light and a second split pulse light. An interference optical system that causes the two-division pulse light to interfere with each other; and (2) the first division pulse light and the second division pulse light are arranged at positions where the interference optical system interferes with each other. A diffraction grating forming medium in which a plasma having a lattice distribution is generated by interference with the two-part pulse light to form a transient diffraction grating, and (3) the compressed pulse light to the diffraction grating formed on the diffraction grating forming medium. A compression optical system that guides And features. Furthermore, in the pulse compressor according to the present invention, the pulse fronts of the first divided pulse light and the second divided pulse light incident on the diffraction grating forming medium by the interference optical system are on the diffraction grating forming surface of the diffraction grating forming medium. The pulse width of the compressed pulsed light guided by the compression optical system is compressed by a diffraction grating formed parallel to the diffraction grating forming medium.
本発明に係るパルス圧縮器では、干渉用パルス光が２分割されて第１分割パルス光および第２分割パルス光が生成され、干渉光学系により、これら第１分割パルス光と第２分割パルス光とが互いに干渉する。その干渉位置に配置された回折格子形成媒体において、これら第１分割パルス光と第２分割パルス光との干渉により格子状分布のプラズマが生成されて、過渡的な回折格子が形成される。そして、被圧縮パルス光は、圧縮光学系により、回折格子形成媒体に形成された回折格子へ導かれ、この回折格子によりパルス幅が圧縮される。本発明では、回折格子形成媒体に入射される第１分割パルス光および第２分割パルス光それぞれのパルスフロントは回折格子形成媒体の回折格子形成面に対して平行であるので、回折格子形成媒体の回折格子形成面の広い範囲において干渉が生じ、被圧縮パルス光のパルス幅を圧縮するのに好適な回折格子が形成され得る。 In the pulse compressor according to the present invention, the interference pulse light is divided into two to generate the first divided pulse light and the second divided pulse light, and the first divided pulse light and the second divided pulse light are generated by the interference optical system. Interfere with each other. In the diffraction grating forming medium arranged at the interference position, a plasma having a lattice distribution is generated by the interference between the first divided pulse light and the second divided pulse light, and a transient diffraction grating is formed. The compressed pulsed light is guided to the diffraction grating formed on the diffraction grating forming medium by the compression optical system, and the pulse width is compressed by this diffraction grating. In the present invention, the pulse front of each of the first divided pulse light and the second divided pulse light incident on the diffraction grating forming medium is parallel to the diffraction grating forming surface of the diffraction grating forming medium. Interference occurs in a wide range of the diffraction grating surface, and a diffraction grating suitable for compressing the pulse width of the compressed pulsed light can be formed.
本発明に係るパルス圧縮器は、回折格子形成媒体への第１分割パルス光および第２分割パルス光それぞれの入射のタイミングの関係を調整する分割パルス光入射タイミング調整部を更に備えるのが好適であり、また、回折格子形成媒体における回折格子形成のタイミングと回折格子形成媒体への被圧縮パルス光入射のタイミングとの関係を調整する被圧縮パルス光入射タイミング調整部を更に備えるのが好適である。これらの場合には、第１分割パルス光，第２分割パルス光または被圧縮パルス光それぞれの回折格子形成媒体への入射タイミングを調整して適切なものとすることで、過渡的な回折格子における被圧縮パルス光の回折効率を高くすることができる。 It is preferable that the pulse compressor according to the present invention further includes a divided pulse light incident timing adjusting unit that adjusts a relationship between timings of incidence of the first divided pulse light and the second divided pulse light on the diffraction grating forming medium. In addition, it is preferable to further include a compressed pulsed light incident timing adjusting unit that adjusts a relationship between the timing of forming the diffraction grating in the diffraction grating forming medium and the timing of incident compressed pulsed light on the diffraction grating formed medium. . In these cases, by adjusting the incident timing of the first divided pulse light, the second divided pulse light, or the compressed pulsed light to the diffraction grating forming medium so as to be appropriate, in the transient diffraction grating The diffraction efficiency of the pulsed light to be compressed can be increased.
本発明に係るパルス圧縮器は、第１分割パルス光のパルス幅を圧縮する第１分割パルス光圧縮部と、第２分割パルス光のパルス幅を圧縮する第２分割パルス光圧縮部と、を更に備えるのが好適である。また、本発明に係るパルス圧縮器は、干渉用パルス光のパルス幅を圧縮する干渉用パルス光圧縮部を更に備えるのが好適である。これらの場合には、回折格子形成媒体において過渡的な回折格子を効率よく形成することができる。 The pulse compressor according to the present invention includes: a first divided pulse light compression unit that compresses the pulse width of the first divided pulse light; and a second divided pulse light compression unit that compresses the pulse width of the second divided pulse light. It is preferable to further provide. Moreover, it is preferable that the pulse compressor according to the present invention further includes an interference pulse light compression unit that compresses the pulse width of the interference pulse light. In these cases, a transient diffraction grating can be efficiently formed in the diffraction grating forming medium.
本発明に係るレーザ発生装置は、(1) パルス光を出力する発振器と、(2) 発振器から出力されたパルス光のパルス幅を伸長して、その伸長後のパルス光を出力するパルス伸長器と、(3)パルス伸長器から出力されたパルス光を光増幅して出力する光増幅器と、(4) 光増幅器から出力されたパルス光のパルス幅を圧縮して、その圧縮後のパルス光を出力する上記の本発明に係るパルス圧縮器と、を備えることを特徴とする。本発明に係るレーザ発生装置では、発振器から出力されたパルス光は、パルス伸長器により波長分散が与えられて、パルス幅が伸長されたチャ−プ光とされた後に、光増幅器により光増幅される。そして、その光増幅されたパルス光は、パルス圧縮器により波長分散が調整されて、パルス幅が圧縮されたパルス光とされる。 The laser generator according to the present invention includes (1) an oscillator that outputs pulsed light, and (2) a pulse expander that extends the pulse width of the pulsed light output from the oscillator and outputs the pulsed light after the expansion. (3) an optical amplifier that optically amplifies and outputs the pulsed light output from the pulse expander; and (4) compresses the pulse width of the pulsed light output from the optical amplifier and outputs the compressed pulsed light. And a pulse compressor according to the present invention that outputs the above. In the laser generator according to the present invention, the pulsed light output from the oscillator is provided with chromatic dispersion by a pulse stretcher to obtain a chirped light with an extended pulse width, and then optically amplified by an optical amplifier. The Then, the optically amplified pulsed light is converted into pulsed light whose chromatic dispersion is adjusted by a pulse compressor and whose pulse width is compressed.
本発明によれば、超短パルス幅のパルス光を生成することができる。 According to the present invention, it is possible to generate pulsed light having an ultrashort pulse width.
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
本実施形態に係るレーザ発生装置１は、ＣＰＡ法に拠るものであって、図１に示されるような概略構成を有している。レーザ発生装置１は、発振器１０，パルス伸長器２０，再生増幅器３０，マルチパス増幅器４０およびパルス圧縮器５０を備えている。このレーザ発生装置１では、発振器１０から出力されたパルス光は、パルス伸長器２０により波長分散が与えられて、パルス幅が伸長されたチャ−プ光とされる。パルス伸長器２０から出力されたチャ−プ光は、再生増幅器３０により光増幅され、マルチパス増幅器４０により更に光増幅される。そして、その光増幅されたパルス光は、パルス圧縮器５０により波長分散が調整されて、パルス幅が圧縮されたパルス光とされる。
The laser generator 1 according to the present embodiment is based on the CPA method and has a schematic configuration as shown in FIG. The laser generator 1 includes an
より具体的には、レーザ発生装置１は、図２に示されるような構成を有している。なお、以下では、発振器１０、再生増幅器３０およびマルチパス増幅器４０それぞれにおいて、含まれる増幅媒体１２，３２，４３がＴｉサファイアであり、これらを励起するための励起光源１１，３１，４１，４２から出力される励起光がＴｉサファイアを励起し得る波長であるとして説明する。
More specifically, the laser generator 1 has a configuration as shown in FIG. In the following, in each of the
発振器１０は、パルス光を出力するものであって、励起光を出力する励起光源１１、増幅媒体であるＴｉサファイア１２、ミラーＭ１１〜Ｍ１８、ブリュースタプリズムＰ１１，Ｐ１２、および、アウトプットカプラＯＣを含む。ミラーＭ１３とミラーＭ１４との間にＴｉサファイア１２が挟まれており、ミラーＭ１３，Ｍ１４それぞれのＴｉサファイア１２に対向する面が凹面鏡となっている。ミラーＭ１６とアウトプットカプラＯＣとの間の光学系はレーザ共振器を構成している。このレーザ共振器の共振光路上に、Ｔｉサファイア１２、ミラーＭ１３〜Ｍ１５およびブリュースタプリズムＰ１１，Ｐ１２が配置されている。
The
励起光源１１から出力された励起光は、ミラーＭ１１およびＭ１２により反射され、ミラーＭ１３を透過し、増幅媒体であるＴｉサファイア１２に入射されて、このＴｉサファイア１２を励起する。この励起に伴いＴｉサファイア１２で発生した放出光は、ミラーＭ１６とアウトプットカプラＯＣとの間の光学系からなるレーザ共振器により共振される。そして、その共振した光の一部は、レーザ光として、アウトプットカプラＯＣを透過し、ミラーＭ１７およびミラーＭ１８により反射されて、パルス伸長器２０へ出力される。
The excitation light output from the
この共振器１０では、増幅媒体であるＴｉサファイア１２において、３次の非線形光学効果（カー効果）に因り、時間的に強度が高い部分では自己収束の効果が強く、これによって強度変調が生じるとともに、自己位相変調によってレーザ光のスペクトル幅が拡がる。このことから、この共振器１０は、モード同期発振して、短パルス幅のパルス光を出力することができる。なお、ブリュースタプリズムＰ１１，Ｐ１２は、Ｔｉサファイア１２における分散を補償するために挿入されている。
In the
パルス伸長器２０は、発振器１０から出力されたパルス光のパルス幅を伸長して、その伸長後のパルス光を出力するものであって、回折格子Ｇ２１，Ｇ２２、レンズＬ２１，Ｌ２２およびミラーＭ２１〜Ｍ２３を含む。レンズＬ２１およびＬ２２は、互いに非平行に配置された回折格子Ｇ２１と回折格子Ｇ２２との間に配置されていて、倍率１の望遠鏡を構成している。発振器１０から出力されてパルス伸長器２０に入力されたパルス光は、ミラーＭ２１、回折格子Ｇ２１、レンズＬ２１、レンズＬ２２、回折格子Ｇ２２、ミラーＭ２２およびミラーＭ２３を順に経て、再生増幅器３０へ出力される。この間に、パルス光は、回折格子Ｇ２１，Ｇ２２により波長分散が与えられて、パルス幅が伸長されたチャ−プ光とされる。
The
再生増幅器３０は、パルス伸長器２０から出力されたパルス光を光増幅して出力するものであって、励起光を出力する励起光源３１、増幅媒体であるＴｉサファイア３２、薄膜フィルム偏光子ＴＦＰ３１，ＴＦＰ３２、ポッケルスセルＰＣ３１，ＰＣ３２、フィルタＦおよびミラーＭ３１〜Ｍ３３を含む。ミラーＭ３１とミラーＭ３２との間の光学系はレーザ共振器を構成している。このレーザ共振器の共振光路上に、Ｔｉサファイア３２、薄膜フィルム偏光子ＴＦＰ３１，ＴＦＰ３２、ポッケルスセルＰＣ３１，ＰＣ３２およびフィルタＦが配置されている。
The
励起光源３１から出力された励起光は、ミラーＭ３３により反射され、増幅媒体であるＴｉサファイア３２に入射されて、このＴｉサファイア３２を励起する。パルス伸長器２０から出力されて再生増幅器３０に入力されたパルス光は、薄膜フィルム偏光子ＴＦＰ３１に対してｓ偏光入射して、薄膜フィルム偏光子ＴＦＰ３１により反射され、フィルタＦを透過し、所定電圧が印加されたポッケルスセルＰＣ２１により偏光方位が４５度だけ回転され、ミラーＭ３１により反射され、所定電圧が印加されたポッケルスセルＰＣ２１により偏光方位が更に４５度だけ回転される。その後、ポッケルスセルＰＣ２１への所定電圧の印加は終了する。
The excitation light output from the
ポッケルスセルＰＣ２１を２度通過することにより偏光方位が９０度だけ回転されてｐ偏光とされたパルス光は、フィルタＦおよび薄膜フィルム偏光子ＴＦＰ３１を通過して、Ｔｉサファイア３２において光増幅され、薄膜フィルム偏光子ＴＦＰ３２およびポッケルスセルＰＣ２２を通過して、ミラーＭ３２により反射される。このように薄膜フィルム偏光子ＴＦＰ３１，ＴＦＰ３２に対してｐ偏光とされたパルス光は、ミラーＭ３１とミラーＭ３２との間を繰り返し往復し、その間にＴｉサファイア３２において光増幅される。
The pulsed light whose polarization direction is rotated by 90 degrees by passing through Pockels cell PC 21 twice and passing through p-polarized light passes through filter F and thin film film polarizer TFP 31 , and is amplified in
この光増幅により或る程度までパルス光の強度が高められると、そのパルス光は、所定電圧が印加されたポッケルスセルＰＣ２２を往復することにより偏光方位が９０度だけ回転されてｓ偏光とされ、薄膜フィルム偏光子ＴＦＰ３２により反射されて、マルチパス増幅器４０へ出力される。なお、フィルタＦは、Ｔｉサファイア３２において光増幅が繰り返される間にパルス光が狭帯域化するのを防止するために設けられている。
When the intensity of the pulsed light is increased to a certain extent by this optical amplification, the pulsed light is turned into s-polarized light by reciprocating the Pockels cell PC 22 to which a predetermined voltage is applied to rotate the polarization direction by 90 degrees. Reflected by the thin film polarizer TFP 32 and output to the
マルチパス増幅器４０は、再生増幅器３０から出力されたパルス光を更に光増幅して出力するものであって、励起光を出力する励起光源４１，４２、増幅媒体であるＴｉサファイア４３、およびミラーＭ４１〜Ｍ４７を含む。励起光源４１，４２それぞれから出力された励起光は、Ｔｉサファイア４３に入射されて、このＴｉサファイア４３を励起する。再生増幅器３０から出力されてマルチパス増幅器４０に入力されたパルス光は、ミラーＭ４１〜Ｍ４７により順次に反射されて、パルス圧縮器５０へ出力される。この間に、パルス光は、Ｔｉサファイア４２を３回通過し、その通過の度にＴｉサファイア４２において光増幅される。
The
なお、パルス伸長器２０とパルス圧縮器５０との間に光増幅器として再生増幅器３０およびマルチパス増幅器４０の２種類が設けられている理由は以下のとおりである。再生増幅器３０は、レーザ共振器構造を有していることから、増幅されて出力されるパルス光のビーム品質が優れている。しかし、再生増幅器３０に含まれるポッケルスセルＰＣ３１，ＰＣ３２の反射低減膜の損傷閾値が限界を有していることから、再生増幅器３０における増幅パルス光の強度にも限界がある。そこで、パルス伸長器２０から出力されたパルス光は、再生増幅器３０において或る程度まで光増幅された後に、上記のような限界が無いマルチパス増幅器４０において更に光増幅される。また、マルチパス増幅器４０は、１段だけでなく、複数段設けられていてもよい。
The reason why two types of
パルス圧縮器５０は、マルチパス増幅器４０から出力されたパルス光のパルス幅を圧縮して、その圧縮後のパルス光を出力するものであって、回折格子Ｇ５１，Ｇ５２およびミラーＭ５１，Ｍ５２を含む。マルチパス増幅器４０から出力されてパルス圧縮器５０に入力されたパルス光は、ミラーＭ５２により反射され、回折格子Ｇ５１により波長分岐され、回折格子Ｇ５２により平行光とされ、ルーフミラーＭ５２により高さ（図２の紙面に垂直な方向）を変更されて折り返される。ルーフミラーＭ５２により折り返されたパルス光は、回折格子Ｇ５２および回折格子Ｇ５１を順に経て出力される。この間に、パルス光は、回折格子Ｇ５１，Ｇ２２により波長分散が調整されて、パルス幅が圧縮される。
The
図３は、レーザ発生装置１に含まれるパルス圧縮器５０の斜視図である。この図に示されるように、マルチパス増幅器４０から出力されてパルス圧縮器５０に入力されたパルス光は、回折格子Ｇ５１により波長分岐され、回折格子Ｇ５２により平行光とされ、ルーフミラーＭ５２により高さを変更されて折り返される。ルーフミラーＭ５２により折り返されたパルス光は、回折格子Ｇ５２および回折格子Ｇ５１を順に経て出力される。
FIG. 3 is a perspective view of the
前述したように、光増幅器の増幅媒体（本実施形態では、Ｔｉサファイア３２，４３）の次に損傷の対象になるのは、パルス圧縮器５０においてチャ−プ光の波長分散を調整する回折格子Ｇ５１，Ｇ５２である。この問題を回避するために、回折格子Ｇ５１および回折格子Ｇ５２の双方または何れか一方として、レーザ光のニ光束干渉を利用して生成した格子状分布のプラズマによる過渡的な回折格子が用いられる。
As described above, the target of damage after the amplification medium of the optical amplifier (
図４は、レーザ発生装置１に含まれるパルス圧縮器５０の具体的な構成図である。この図に示されるパルス圧縮器５０は、上記のニ光束干渉を形成する為の干渉光学系の構成要素として、ビームスプリッタＢＳ５１，ＢＳ５２およびミラーＭ５３，Ｍ５４を更に含む。
FIG. 4 is a specific configuration diagram of the
パルス圧縮器５０に入力されたパルス光のうち、一部はビームスプリッタＢＳ５１を透過して干渉用パルス光とされ、残部はビームスプリッタＢＳ５１で反射されて被圧縮パルス光とされる。ビームスプリッタＢＳ５１で反射された被圧縮パルス光は、回折格子形成媒体５１に入射される。ビームスプリッタＢＳ５１を透過した干渉用パルス光は、ビームスプリッタＢＳ５２により２分割されて、第１分割パルス光および第２分割パルス光とされる。
Part of the pulsed light input to the
ビームスプリッタＢＳ５２から出力された第１分割パルス光は、ミラーＭ５３により反射されて、回折格子形成媒体５１に入射される。また、ビームスプリッタＢＳ５２から出力された第２分割パルス光は、ミラーＭ５４により反射されて、回折格子形成媒体５１に入射される。そして、回折格子形成媒体５１に入射された第１分割パルス光および第２分割パルス光は、その回折格子形成媒体５１の表面上において互いに干渉して、これにより、回折格子形成媒体５１の表面において格子状分布のプラズマが生成されて過渡的な回折格子Ｇ５１が形成される。
The first divided pulse light output from the beam splitter BS 52 is reflected by the mirror M 53 and is incident on the diffraction
図５は、パルス圧縮器５０に含まれる回折格子形成媒体５１における格子状分布のプラズマによる過渡的な回折格子の形成を説明する図である。回折格子形成媒体５１に第１分割パルス光および第２分割パルス光が入射されると、その回折格子形成媒体５１の表面上において互いに干渉して、格子状の高温領域が形成され、その高温領域においてアブレーションが開始される（同図（ａ））。そのアブレーションが進むと、格子状分布のプラズマが生成され（同図（ｂ））、プラズマが膨張して、回折格子Ｇ５１が形成される（同図（ｃ））。このようにして形成された回折格子Ｇ５１に被圧縮パルス光が入射することにより、そのパルス光のパルス幅が圧縮される。
FIG. 5 is a diagram for explaining the formation of a transient diffraction grating by the plasma having a lattice distribution in the diffraction grating forming medium 51 included in the
なお、回折格子Ｇ５１が形成されるべき回折格子形成媒体５１は、第１分割パルス光と第２分割パルス光との干渉による格子状の高温領域においてアブレーションが生じ更にプラズマが生じるものであることが必要である。パルス圧縮器５０に入力されるパルス光は、再生増幅器３０およびマルチパス増幅器４０により光増幅されて強度が高いものとなっているので、この入力パルス光から分岐された第１分割パルス光および第２分割パルス光も、容易にプラズマ化できるほど強度が高い。したがって、回折格子形成媒体５１として、固体金属や水銀等の液体金属が好適に用いられ得る。特に回折格子形成媒体５１として液体金属が用いられる場合には、回折格子形成媒体５１に形成される回折格子Ｇ５１が経時的に消滅して、回折格子形成媒体５１の表面が平面に戻るので、回折格子形成媒体５１は繰り返して利用され得る。
Note that the diffraction grating forming medium 51 on which the diffraction grating G 51 is to be formed is one in which ablation occurs in a lattice-like high temperature region due to interference between the first divided pulse light and the second divided pulse light, and further plasma is generated. is required. Since the pulse light input to the
ところで、一般に、パルス光のパルスフロントは、そのパルス光の進行方向に対して垂直である。例えば、パルス光のパルス幅が１００ｆｓである場合、そのパルス光の進行方向に拡がるパルス光の空間的な長さは３０μｍと短い。このようにパルス光が超短パルス幅である場合に、或る媒体の表面上において２つのパルス光を互いに干渉させようとして、各パルス光を媒体表面に対して斜め入射させると、２つのパルス光が互いに同時に媒体表面に到達するのは、媒体表面上の直線（または、極めて幅が狭いストライプ状領域）のみである。このことから、媒体表面上の広い範囲において干渉を生じさせることができず、パルス圧縮器に用いるのに好適な回折格子を形成することができない。 Incidentally, in general, the pulse front of the pulsed light is perpendicular to the traveling direction of the pulsed light. For example, when the pulse width of the pulsed light is 100 fs, the spatial length of the pulsed light spreading in the traveling direction of the pulsed light is as short as 30 μm. In this way, when the pulsed light has an ultrashort pulse width, if the two pulsed lights are caused to interfere with each other on the surface of a certain medium and each pulsed light is obliquely incident on the medium surface, the two pulses Only the straight lines (or very narrow stripe regions) on the surface of the medium reach the surface of the medium at the same time. For this reason, interference cannot be generated in a wide range on the medium surface, and a diffraction grating suitable for use in a pulse compressor cannot be formed.
そこで、本実施形態では、干渉光学系により回折格子形成媒体５１に入射される第１分割パルス光および第２分割パルス光それぞれのパルスフロントは、回折格子形成媒体５１の回折格子形成面に対して平行とされる。図６は、パルス圧縮器５０に含まれる回折格子形成媒体５１に入射される第１分割パルス光および第２分割パルス光それぞれのパルスフロントを説明する図である。このように、回折格子形成媒体５１に入射される第１分割パルス光および第２分割パルス光それぞれのパルスフロントが回折格子形成媒体５１の回折格子形成面に対して平行とされることにより、回折格子形成媒体５１の回折格子形成面の広い範囲において干渉を生じさせることができて、被圧縮パルス光のパルス幅を圧縮するのに好適な回折格子Ｇ５１を形成することができる。
Therefore, in this embodiment, the pulse fronts of the first divided pulse light and the second divided pulse light incident on the diffraction grating forming medium 51 by the interference optical system are relative to the diffraction grating forming surface of the diffraction
また、干渉光学系により回折格子形成媒体５１に入射される第１分割パルス光および第２分割パルス光それぞれが超短パルス幅である場合には、これら第１分割パルス光および第２分割パルス光が互いに同一のタイミングで回折格子形成媒体５１に入射されることが重要となる。また、回折格子形成媒体５１における回折格子Ｇ５１の形成のタイミングと、回折格子形成媒体５１への被圧縮パルス光入射のタイミングとの関係は、回折格子Ｇ５１における被圧縮パルス光の回折効率が高くなるように、適切に設定されることが重要である。
When the first divided pulse light and the second divided pulse light incident on the diffraction grating forming medium 51 by the interference optical system have an ultrashort pulse width, the first divided pulse light and the second divided pulse light are used. Are incident on the diffraction grating forming medium 51 at the same timing. Further, the relationship between the timing of forming the diffraction grating G 51 in the diffraction
さらに、パルス圧縮器５０に入力されたパルス光がビームスプリッタＢＳ５１により干渉用パルス光と被圧縮パルス光とに分岐される際に、被圧縮パルス光の強度が高く、干渉用パルス光の強度が低いことが好ましい。一方、干渉用パルス光がビームスプリッタＢＳ５２により２分割されて回折格子形成媒体５１に入射される第１分割パルス光および第２分割パルス光それぞれは、回折格子形成媒体５１における回折格子形成の効率を高めるために、強度が高いことが好ましい。
Further, when the pulse light input to the
そこで、上記のタイミングの調整および回折格子形成の効率化の為に、パルス圧縮器５０は、図７または図８に示されるような構成を有しているのが好ましい。
Therefore, in order to adjust the timing and increase the efficiency of diffraction grating formation, the
図７は、レーザ発生装置１に含まれるパルス圧縮器５０の他の具体的な構成図である。前に図４に示された構成と比較すると、この図７に示されるパルス圧縮器５０は、被圧縮パルス光入射タイミング調整部５３、分割パルス光入射タイミング調整部５４、第１分割パルス光圧縮部５５および第２分割パルス光圧縮部５６を更に含む点で相違する。被圧縮パルス光入射タイミング調整部５３は、被圧縮パルス光の光路上に設けられていて、その被圧縮パルス光に対して遅延を与えるとともに当該遅延量を調整して、これにより、回折格子形成媒体５１における回折格子形成のタイミングと回折格子形成媒体５１への被圧縮パルス光入射のタイミングとの関係を調整する。分割パルス光入射タイミング調整部５４は、第２分割パルス光の光路上に設けられていて、その第２分割パルス光に対して遅延を与えるとともに当該遅延量を調整して、これにより、回折格子形成媒体５１への第１分割パルス光および第２分割パルス光それぞれの入射のタイミングの関係を調整する。第１分割パルス光圧縮部５５は、第１分割パルス光の光路上に設けられていて、その第１分割パルス光のパルス幅を圧縮する。また、第２分割パルス光圧縮部５６は、第２分割パルス光の光路上に設けられていて、その第２分割パルス光のパルス幅を圧縮する。
FIG. 7 is another specific configuration diagram of the
図８は、レーザ発生装置１に含まれるパルス圧縮器５０の更に他の具体的な構成図である。前に図４に示された構成と比較すると、この図８に示されるパルス圧縮器５０は、被圧縮パルス光入射タイミング調整部５３、分割パルス光入射タイミング調整部５４および干渉用パルス光圧縮部５７を更に含む点で相違する。干渉用パルス光圧縮部５７は、ビームスプリッタＢＳ５１とビームスプリッタＢＳ５２との間の干渉用パルス光の光路上に設けられていて、その干渉用パルス光のパルス幅を圧縮する。
FIG. 8 is still another specific configuration diagram of the
上記の第１分割パルス光圧縮部５５，第２分割パルス光圧縮部５６および干渉用パルス光圧縮部５７それぞれの構成は、前に図３に示されたものと同様である。回折格子形成媒体５１に入射される第１分割パルス光および第２分割パルス光それぞれのパルスフロントが回折格子形成媒体５１の回折格子形成面に対して平行となるようにするには、第１分割パルス光圧縮部５５，第２分割パルス光圧縮部５６および干渉用パルス光圧縮部５７それぞれにおいて一対の回折格子を互いに非平行に配置することによっても実現され得る。図９は、第１分割パルス光圧縮部５５の構成図である。この図に示されるように、第１分割パルス光圧縮部５５は、回折格子Ｇ５５１，Ｇ５５２およびルーフミラーＭ５５２を含む。回折格子Ｇ５５１と回折格子Ｇ５５２とは互いに非平行に配置されており、これにより、第１分割光パルス光のパルスフロントは、進行方向に垂直な面に対して非平行とされ得る。第２分割パルス光圧縮部５６および干渉用パルス光圧縮部５７についても同様である。
The configurations of the first divided pulse
なお、パルス光のパルスフロントの傾きは、ミラーにより１回反射される度にパルス光進行方向に向かって左右に反転する。よって、第１分割パルス光圧縮部５５および第２分割パルス光圧縮部５６の２個を含む場合（図７）、ならびに、干渉用パルス光圧縮部５７の１個を含む場合（図８）の、いずれの場合でも、ビームスプリッタＢＳ５２により２分割されて生成された第１分割パルス光および第２分割パルス光に対して、使用するミラーの枚数の奇偶は一致していなければならない。
The tilt of the pulse front of the pulsed light is reversed left and right in the direction of the pulsed light every time it is reflected by the mirror. Therefore, in the case of including two of the first divided pulse
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では過渡的な回折格子Ｇ５１が回折格子形成媒体５１に形成される場合を説明したが、過渡的な回折格子Ｇ５２が回折格子形成媒体に形成されてもよい。また、干渉に用いる干渉用パルスは、上記実施形態ではパルス圧縮器に入力されたパルス光の一部をビームスプリッタＢＳ５１により抜き出したものであったが、別に設けたレーザ光源から出力されたレーザ光を用いてもよい。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. For example, although the case where the transient diffraction grating G 51 is formed on the diffraction
また、過渡的な回折格子が形成されるべき回折格子形成媒体として、前述したように、固体金属や水銀等の液体金属が好適に用いられ得る。回折格子形成媒体として固体金属が用いられる場合には、図１０に示されるような構成とするのが好ましい。すなわち、一定厚で一定幅の長尺のテープ状の金属箔が回折格子形成媒体５１Ａとして用いられ、この回折格子形成媒体５１Ａが巻き芯５２１，５２２に巻かれている。巻き芯５２１，５２２の回転により、テープ状の回折格子形成媒体５１Ａは一方向に移動する。このような回折格子形成媒体５１Ａを用いた場合にも、第１分割パルス光および第２分割パルス光が入射する毎に、その入射位置における回折格子形成媒体５１Ａの表面が平面であるので、回折格子形成媒体５１Ａは繰り返して利用され得る。 Further, as described above, a liquid metal such as a solid metal or mercury can be suitably used as a diffraction grating forming medium on which a transient diffraction grating is to be formed. In the case where a solid metal is used as the diffraction grating forming medium, a configuration as shown in FIG. 10 is preferable. That is, tape-shaped metal foil long with a constant width at a constant thickness diffraction is used as the grating forming medium 51A, the diffraction grating forming medium 51A is wound around the winding core 52 1, 52 2. By the rotation of the winding core 52 1, 52 2, a tape-like diffraction grating forming medium 51A is moved in one direction. Even when such a diffraction grating forming medium 51A is used, every time the first divided pulse light and the second divided pulse light are incident, the surface of the diffraction grating forming medium 51A at the incident position is a flat surface. The lattice forming medium 51A can be used repeatedly.
１…レーザ発生装置、１０…発振器、２０…パルス伸長器、３０…再生増幅器、４０…マルチパス増幅器、５０…パルス圧縮器。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laser generator, 10 ... Oscillator, 20 ... Pulse stretcher, 30 ... Regenerative amplifier, 40 ... Multipass amplifier, 50 ... Pulse compressor.
Claims (6)
入力された被圧縮パルス光から一部を分岐して取り出したものを干渉用パルス光とし、この干渉用パルス光を２分割して第１分割パルス光および第２分割パルス光を生成し、これら第１分割パルス光と第２分割パルス光とを互いに干渉させる干渉光学系と、
前記干渉光学系により第１分割パルス光と第２分割パルス光とが互いに干渉する位置に配置され、これら第１分割パルス光と第２分割パルス光との干渉により格子状分布のプラズマが生成されて過渡的な回折格子が形成される回折格子形成媒体と、
前記回折格子形成媒体に形成された回折格子へ前記被圧縮パルス光を導く圧縮光学系と、
を備え、
前記干渉光学系により前記回折格子形成媒体に入射される第１分割パルス光および第２分割パルス光それぞれのパルスフロントが、前記回折格子形成媒体の回折格子形成面に対して平行であり、
前記回折格子形成媒体に形成された回折格子により、前記圧縮光学系により導かれた被圧縮パルス光のパルス幅を圧縮する、
ことを特徴とするパルス圧縮器。 A pulse compressor that compresses the pulse width of the input compressed pulsed light and outputs the compressed pulsed light,
A part of the input compressed pulse light that is branched and extracted is used as interference pulse light, and the interference pulse light is divided into two to generate a first divided pulse light and a second divided pulse light. An interference optical system for causing the first divided pulse light and the second divided pulse light to interfere with each other;
The interference optical system arranges the first divided pulse light and the second divided pulse light at positions where they interfere with each other, and the lattice-distributed plasma is generated by the interference between the first divided pulse light and the second divided pulse light. A diffraction grating forming medium on which a transient diffraction grating is formed;
A compression optical system that guides the compressed pulsed light to the diffraction grating formed on the diffraction grating forming medium;
With
The pulse front of each of the first divided pulse light and the second divided pulse light incident on the diffraction grating forming medium by the interference optical system is parallel to the diffraction grating forming surface of the diffraction grating forming medium,
The pulse width of the pulsed light to be compressed guided by the compression optical system is compressed by the diffraction grating formed on the diffraction grating forming medium.
A pulse compressor characterized by that.
第２分割パルス光のパルス幅を圧縮する第２分割パルス光圧縮部と、
を更に備えることを特徴とする請求項１記載のパルス圧縮器。 A first split pulse light compression unit that compresses the pulse width of the first split pulse light;
A second divided pulse light compression unit that compresses the pulse width of the second divided pulse light;
The pulse compressor according to claim 1, further comprising:
前記発振器から出力されたパルス光のパルス幅を伸長して、その伸長後のパルス光を出力するパルス伸長器と、
前記パルス伸長器から出力されたパルス光を光増幅して出力する光増幅器と、
前記光増幅器から出力されたパルス光のパルス幅を圧縮して、その圧縮後のパルス光を出力する請求項１〜５の何れか１項に記載のパルス圧縮器と、
を備えることを特徴とするレーザ発生装置。
An oscillator that outputs pulsed light;
A pulse expander that extends the pulse width of the pulsed light output from the oscillator and outputs the pulsed light after the expansion;
An optical amplifier that amplifies and outputs the pulsed light output from the pulse stretcher;
The pulse compressor according to any one of claims 1 to 5 , wherein the pulse width of the pulsed light output from the optical amplifier is compressed, and the compressed pulsed light is output.
A laser generator comprising:
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